Химическая и радиационная стойкость керамики
Рефераты >> Химия >> Химическая и радиационная стойкость керамики

Для повышения устойчивости к окислению при высоких темпе­ратурах на поверхности изделия предварительно создают оксидный слой, содержащий SiO2 и другие оксиды. Простейшим способом является резкий нагрев деталей в окислительной среде и образова­ние на их поверхности сплошного слоя SiO2. На воздухе керамику из SiзN4, полученную реакционным спеканием, можно использо­вать до 1400°С, а горячепрессованную - до 1500°С.

Алюминий образует с азотом два соединения - нитрид алюминия A1N и триазид алюминия Аl(Nз)з - очень гигроскопичное взрывчатое вещество белого цвета. A1N имеет только одну гексагональную моди­фикацию типа вюрцита, что упрощает технологию керамики. Нитрид алюминия обладает твердостью 9 по шкале Мооса, плотностью 3,27 г/см3. Выше 1900-2000°С A1N разлагается. Он имеет высокую химическую стойкость к расплавам многих цветных металлов и их сплавов. На воздухе плотную керамику на основе A1N можно применять до 1450°С.

Керамика на основе A1N имеет высокую теплопроводность — до 250Вт/(м·К) (максимальное значение теоретически — 320 Вт/(м·К)). Это позволяет использовать A1N вместо высокотоксичного ВеО в электронных устройствах, где требуется сочета­ние диэлектрических свойств с высокой теплопроводностью (под­ложки интегральных схем, теплоотводящие электроизолирующие прокладки и т.д.).

Порошки AIN получают всеми перечисленными для нитридов спо­собами. Керамику изготавливают методами реакционного спекания, горячего прессования, их комбинацией. Применение добавок оксидов, фторидов или боратов щелочноземельных или редкоземельных ме­таллов позволяет получать высокоплотную керамику и без использо­вания горячего прессования. Оксидная добавка спо­собствует уплотнению в основном за счет механизма растворения — кристаллизации. Эго обеспечивает высокую теп­лопроводность керамике из AIN , несмотря на присутствие оксидных добавок, имеющих значительно меньшую теплопроводность.

Высокая теплопроводность снижает термомеханические на­пряжения, возникающие при эксплуатации изделий из AIN, что в сочетании с достаточной химической стойкостью позволяет ис­пользовать керамику в качестве конструкционной. Получена про­зрачная керамика, а также керамика с прочностью при изгибе 500 МПа. Высокие твердость и теплопроводность позволяют при­менять AIN в качестве добавки в режущих инструментах.

Бор образует с азотом одно соединение — нитрид бора BN, су­ществующее в виде трех модификаций: графитоподобной гексагональной α-BN; кубической (β-BN и гексагональной плотно упако­ванной γ-BN. Имеются данные о существовании ромбоэдрической модификации BN. В технологии керамики используют α-, β- и γ-BN.

Плавление α-BN протекает с разложением при 3000°С, α-BN имеет плотность 2,29 г/см3. Аналогичная графиту низкая микротвер­дость и низкий коэффициент трения позволяют использовать α-BN в качестве высокотемпературной смазки, например в керамических подшипниках. При этом слой α-BN можно создавать в процессе из­готовления керамических деталей, имеющих трущиеся поверхности. Керамику из

α-BN, как и графит, легко механически обрабатывать.

Плотная керамика из α-BN имеет высокую термостойкость, хороший диэлектрик. Керамика имеет высокую теплопроводность, 15-50 Вт/(м·К). Сочетание высоких диэлектри­ческих свойств с высокой теплопроводностью позволяет использовать керамику в электронных устройствах, работающих в космосе.

Керамика из α-BN химически устойчива в восстановительных средах, в вакууме. Как и графит, α-BN не смачивается многими расплавами металлов, стекол и солей. Керамика неустойчива в окислительных средах, в воде и водных растворах кислот и основа­ний. На воздухе ее можно использовать до 1000°С.

Порошки α-BN получают описанными выше для нитридов ме­тодами. Порошки могут иметь промежуточное строение между кристаллическим и аморфным - турбостратный BN. Такие порош­ки имеют более высокую активность к спеканию.

Для спекания керамики из α-BN используют горячее прессова­ние и реакционное спекание. Применение порошков из турбостратного BN с такими добавками, как MgO, СаО, La2O3, позво­ляет спекать керамику и без применения горячего прессования.

Осаждением из газовой фазы на соответствующие подложки, на­пример графитовые, получают слои толщиной до 5 мм из пиронитрида бора α-BN. Материал сильно анизотропен, поскольку пластины α-BN ориентированы так, что ось С перпендикулярна подложке.

Модификации высокого давления γ-BN и β-BN обычно полу­чают из α-BN. При давлении 5-10 ГПа и температуре 1600-2000°С образуется кубический β-BN со структурой цинко­вой обманки (ZnS), аналогичной структуре алмаза. Для облегче­ния синтеза и спекания β-BN используют добавки металлов: Li, Mg, Са, А1 и др., их боридов, нитридов и борнитридов.

Уже при 500°С β-BN начинает окисляться, однако образующийся В2Оз замедляет скорость процесса. Скорость окисления сохраняется низкой вплоть до 1300°С, когда она резко возрастает из-за испарения В2Оз. Алмаз начинает заметно окисляться уже выше 800°С. В не­окислительной атмосфере при нормальных условиях кубическая форма β-BN сохраняется до 1600°С.

Материал обладает высокой теплопроводностью, приближаю­щейся к алмазу, и является хорошим диэлектриком. Керамику на основе β-BN используют для изготовления резцов, фильер, теплоотводящих электроизолирующих элементов и т. д., применяют в качестве абразива под названием эльбор и боразон.

Из гексагонального α-BN взрывным прессованием получают γ-BN. Его используют для изготовления абразивного инструмента и резцов. В нашей стране его выпускают под названием гексанит. В отличие от алмаза резцы на основе BN широко используют для обработки железо­содержащих сплавов, поскольку BN к ним значительно более химичес­ки устойчив.


Страница: